Il fotovoltaico distribuito collegato alla rete

Il fotovoltaico distribuito collegato alla rete svolge oggi un ruolo sempre più importante. Tuttavia, pone alcune sfide importanti a ingegneri, pianificatori e operatori di rete. Esse includono variazioni rapide della potenza, variabilità giornaliera della produzione, armoniche di tensione e corrente, corrente di “backflow” e una mancata corrispondenza tra la produzione di energia fotovoltaica e la domanda di picco degli utenti finali. Lo stoccaggio dell’elettricità collegato alla rete o in loco, vicino o sul posto dove viene installato il fotovoltaico, fornisce tuttavia i mezzi per compensare o gestire tali sfide.

Un’importante sfida posta dal fotovoltaico connesso alla rete è rappresentata dalle rapide variazioni dell’uscita (ramping) che si verificano quando le nuvole passano sopra i pannelli fotovoltaici. Ad esempio, il fotovoltaico situato vicino alle zone costiere può essere soggetto a nubi a strati marine che variano nel corso della giornata. La variabilità può essere una sfida significativa per gli operatori di rete che devono essere esperti nel far fronte a quando l’apporto fotovoltaico si interrompe e quindi ridurre il supporto della rete quando l’energia fotovoltaica riprende dopo che le nuvole sono passate.

Una sfida un po’ correlata è indicata come “effetto del bordo nuvola”. Considera come il bordo di una nuvola con il sole dietro di esso appaia particolarmente brillante. Questo fenomeno agisce come una lente che concentra l’insolazione (luce e altre radiazioni dal sole), portando ad un aumento temporaneo della quantità di insolazione che raggiunge i moduli FV fino al 25%, per pochi o molti secondi. A seconda del modo in cui è progettato il sistema FV, questo effetto del bordo della nuvola può causare aumenti di breve durata della potenza che potrebbe dover essere compensata o gestita.

Inutile dire che la produzione fotovoltaica varia tipicamente come il sole sorge, si muove attraverso il cielo durante il giorno e poi tramonta di notte. Sebbene questa variazione “diurna” o giornaliera sia in qualche modo o persino molto prevedibile, gli operatori di rete devono affrontare la variabilità riducendo o aumentando la produzione da alcune altre fonti di energia “dispacciabili” – in particolare la generazione di combustibili fossili – per adattarsi alla variazione giornaliera. Questa è dunque un’altra sfida dell’integrazione del fotovoltaico distribuito nella rete elettrica.

Per coincidenza, in alcuni casi, la produzione eolica diminuisce con l’aumentare dell’energia solare al mattino e aumenta quando la produzione di energia solare diminuisce la sera. Ciò può portare a compensare le variazioni od a variazioni additive. In alcuni casi, in particolare quelli che comportano un’elevata penetrazione del fotovoltaico in alcune parti del sistema di distribuzione dominato dagli utenti finali residenziali, la quantità di energia generata dal fotovoltaico può addirittura superare la domanda totale fornita da una determinata parte del sistema di distribuzione.

La produzione eolica compensa in parte le variazioni di quella fotovoltaica.

In tali circostanze, la potenza “in eccesso” può avere un effetto piuttosto drammatico sulla tensione di servizio elettrica. Un altro effetto è noto come “back-flow”. Questo effetto comporta un flusso di corrente che va dal “lato a bassa tensione” dei trasformatori elettrici (lato secondario dei trasformatori) al lato di tensione superiore (lato primario dei trasformatori). Ciò è importante perché i trasformatori elettrici sono progettati per il flusso di corrente a una via, dalla tensione più alta alla più bassa.  Questa sfida è più comune dove la domanda di energia è più bassa, cioè nelle aree residenziali.

Un’altra sfida dell’integrazione del fotovoltaico è che la potenza massima del fotovoltaico tende a verificarsi prima del picco o della massima richiesta dell’utente finale. Come risultato di questa discrepanza, l’energia generata al mattino e nel primo pomeriggio è meno preziosa di quella che si avrebbe se l’energia fosse generata a metà e nel tardo pomeriggio, quando l’uso dell’aria condizionata è più alto. Questa sfida è meno drammatica in alcune parti del sistema di distribuzione dominato dall’uso finale di energia commerciale e industriale anziché dall’uso di aria condizionata da parte di utenti residenziali.

Ci sono alcuni importanti impatti relativi alla qualità dell’energia localizzata causati dal fotovoltaico distribuito, tra cui il cosiddetto “ramping” e l’uscita troppo alta. Di particolare rilievo è l’impatto sulla tensione. Gli effetti correlati alla tensione sull’elettricità usando le apparecchiature possono includere danni e l’apparecchiatura potrebbe non essere in grado di funzionare se la tensione è troppo alta, bassa o instabile. Infine, l’utilizzo della rete a una tensione troppo elevata può ridurre l’efficienza energetica delle apparecchiature di distribuzione e l’efficienza degli usi finali dell’energia.

Stoccaggio per l’integrazione del fotovoltaico distribuito

Lo stoccaggio dell’elettricità prodotta dal fotovoltaico collegato alla rete o in loco – cioè che si trova vicino o sul posto dove viene installato l’impianto fotovoltaico – fornisce i mezzi per compensare o gestire le sfide appena illustrate relative al fotovoltaico distribuito. Innanzitutto, l’accumulo può essere utilizzato per “attenuare” la variabilità che la rete deve contenere. Ad esempio, lo stoccaggio può essere utilizzato per assorbire la rampa localizzata dovuta a un impianto fotovoltaico.

Il profilo ideale di generazione di un impianto fotovoltaico confrontato con il profilo reale durante un giorno nuvoloso d’inverno.

In secondo luogo, lo stoccaggio può essere caricato di notte dalla rete e/o al mattino usando l’energia del sistema fotovoltaico in modo che l’uscita combinata (fotovoltaico più accumulo) sia costante durante i periodi di picco e la corrente di “back-flow” venga ridotta o eliminata. Terzo, se l’unità di condizionamento del sistema di stoccaggio ha le capacità necessarie, il sistema di accumulo può fornire un controllo continuo della tensione e della potenza reattiva (che influenza la tensione), per risolvere i problemi di tensione, quindi la tensione viene mantenuta stabile e con valori entro livelli accettabili.

Chiaramente, il fotovoltaico distribuito contribuirà in modo sempre più significativo al mix di alimentazione elettrica. Il fotovoltaico ha numerose caratteristiche interessanti, tra cui una corrispondenza equa con la domanda di elettricità, modularità, idoneità come risorsa energetica distribuita, assenza di emissioni nell’aria e nessun uso di combustibili fossili e funzionamento molto silenzioso. Tuttavia, ci sono sfide operative poste dal fotovoltaico distribuito, specialmente nelle zone residenziali e in parti del sistema di distribuzione con alta penetrazione della fonte fotovoltaica.

Tuttavia, lo stoccaggio modulare distribuito di energia elettrica è abbastanza adatto per compensare la maggior parte delle sfide a causa di alcune interessanti sinergie tra cui la capacità di immagazzinare l’energia per sfruttare lo sfasamento temporale (time-shift) e il caricamento dell’accumulo nel pomeriggio, quindi la produzione fotovoltaica può essere costante e più alta quando necessario, ed ha la capacità di affrontare i problemi di tensione che può causare il fotovoltaico. Oltre ad affrontare le sfide specifiche descritte, l’accumulo distribuito più il fotovoltaico offrono vantaggi aggiuntivi.

Ad esempio, lo stoccaggio più il fotovoltaico potrebbero far parte della strategia generale di gestione dell’elettricità della bolletta dell’utente finale, riducendo il costo dell’energia legato all’ora di utilizzo e/o i costi legati al picco della domanda. Inoltre, a seconda del luogo, l’accumulo distribuito e la capacità del fotovoltaico possono ridurre la congestione della trasmissione. Il sistema di accumulo FV, infine, potrebbe anche migliorare l’affidabilità del servizio elettrico locale e/o i problemi di qualità dell’alimentazione non correlati al fotovoltaico (principalmente legati alla tensione).

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